Molekyle -Molecule

Atomic force microscopy (AFM) billede af et PTCDA- molekyle, hvor de fem seks-carbon ringe er synlige.

Et scanning tunneling mikroskopi billede af pentacen molekyler, som består af lineære kæder af fem kulstof ringe.

AFM-billede af 1,5,9-trioxo-13-azatriangulen og dets kemiske struktur.

Et molekyle er en gruppe af to eller flere atomer holdt sammen af ​​tiltrækkende kræfter kendt som kemiske bindinger ; afhængigt af kontekst kan udtrykket inkludere ioner , der opfylder dette kriterium. I kvantefysik , organisk kemi og biokemi , er skelnen fra ioner droppet, og molekyle bruges ofte, når der refereres til polyatomiske ioner .

Et molekyle kan være homonukleært , dvs. det består af atomer af et kemisk grundstof , fx to atomer i oxygenmolekylet (O ₂ ); eller det kan være heteronukleært , en kemisk forbindelse sammensat af mere end et grundstof, f.eks. vand (to hydrogenatomer og et oxygenatom; H _​​2 O). I den kinetiske teori om gasser bruges udtrykket molekyle ofte om enhver gasformig partikel uanset dens sammensætning. Dette slækker på kravet om, at et molekyle skal indeholde to eller flere atomer, da ædelgasserne er individuelle atomer. Atomer og komplekser forbundet med ikke-kovalente interaktioner , såsom hydrogenbindinger eller ionbindinger , betragtes typisk ikke som enkeltmolekyler.

Begreber, der ligner molekyler, er blevet diskuteret siden oldtiden, men moderne undersøgelse af molekylers natur og deres bindinger begyndte i det 17. århundrede. Forfinet over tid af forskere som Robert Boyle , Amedeo Avogadro , Jean Perrin og Linus Pauling , er studiet af molekyler i dag kendt som molekylær fysik eller molekylær kemi.

Etymologi

Ifølge Merriam-Webster og Online Etymology Dictionary stammer ordet "molekyle" fra det latinske " mol " eller lille masseenhed. Ordet er afledt af fransk molecule (1678), fra New Latin molecula , diminutiv af latinske mol "masse, barriere". Ordet, som indtil slutningen af ​​det 18. århundrede kun blev brugt i latinsk form, blev populært efter at være blevet brugt i filosofiske værker af Descartes .

Historie

Definitionen af ​​molekylet har udviklet sig i takt med, at viden om molekylers struktur er øget. Tidligere definitioner var mindre præcise og definerede molekyler som de mindste partikler af rene kemiske stoffer , der stadig bevarer deres sammensætning og kemiske egenskaber. Denne definition nedbrydes ofte, da mange stoffer i almindelig erfaring, såsom sten , salte og metaller , er sammensat af store krystallinske netværk af kemisk bundne atomer eller ioner , men er ikke lavet af diskrete molekyler.

Det moderne koncept for molekyler kan spores tilbage til præ-videnskabelige og græske filosoffer som Leucippus og Demokritus , der hævdede, at hele universet er sammensat af atomer og hulrum . Cirka 450 f.Kr. Empedokles forestillede sig grundlæggende elementer ( ild ( ), jord ( ), luft ( ) og vand ( )) og "kræfter" af tiltrækning og frastødning, der tillod elementerne at interagere.

Et femte element, den uforgængelige kvintessens- æter , blev anset for at være den grundlæggende byggesten i himmellegemerne. Synspunktet Leucippos og Empedokles, sammen med æteren, blev accepteret af Aristoteles og overført til middelalderen og renæssancens Europa.

På en mere konkret måde sporer begrebet aggregater eller enheder af bundne atomer, dvs. "molekyler", sin oprindelse til Robert Boyles hypotese fra 1661, i hans berømte afhandling The Skeptical Chymist , at stof er sammensat af klynger af partikler og den kemiske ændring skyldes omlejringen af ​​klyngerne. Boyle hævdede, at materiens grundlæggende elementer bestod af forskellige slags og størrelser af partikler, kaldet "legemer", som var i stand til at arrangere sig selv i grupper. I 1789 offentliggjorde William Higgins synspunkter om, hvad han kaldte kombinationer af "ultimative" partikler, som varslede begrebet valensbindinger . Hvis for eksempel, ifølge Higgins, kraften mellem den ultimative partikel af oxygen og den ultimative partikel af nitrogen var 6, så ville styrken af ​​kraften blive opdelt i overensstemmelse hermed, og tilsvarende for de andre kombinationer af ultimative partikler.

Amedeo Avogadro skabte ordet "molekyle". Hans papir fra 1811 "Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies", siger han i det væsentlige, dvs. ifølge Partingtons A Short History of Chemistry , at:

De mindste partikler af gasser er ikke nødvendigvis simple atomer, men består af et vist antal af disse atomer forenet ved tiltrækning til et enkelt molekyle .

I koordinering med disse begreber præsenterede den franske kemiker Marc Antoine Auguste Gaudin i 1833 en klar redegørelse for Avogadros hypotese, angående atomvægte, ved at gøre brug af "volumendiagrammer", som tydeligt viser både halvkorrekte molekylære geometrier, såsom en lineær vandmolekyle og korrekte molekylære formler, såsom H ₂ O:

Marc Antoine Auguste Gaudins volumendiagrammer af molekyler i gasfasen (1833)

I 1917 lærte en ukendt amerikansk bachelor-kemiingeniør ved navn Linus Pauling Daltons krog-og-øje-bindingsmetode , som var den almindelige beskrivelse af bindinger mellem atomer på det tidspunkt. Pauling var imidlertid ikke tilfreds med denne metode og kiggede på det nye kvantefysikfelt for en ny metode. I 1926 modtog den franske fysiker Jean Perrin Nobelprisen i fysik for endegyldigt at bevise eksistensen af ​​molekyler. Han gjorde dette ved at beregne Avogadro-konstanten ved hjælp af tre forskellige metoder, der alle involverer væskefasesystemer. For det første brugte han en gamboge sæbe-lignende emulsion, for det andet ved at udføre eksperimentelt arbejde med Brownsk bevægelse , og for det tredje ved at bekræfte Einsteins teori om partikelrotation i væskefasen.

I 1927 anvendte fysikerne Fritz London og Walter Heitler den nye kvantemekanik til at beskæftige sig med de mættede, ikke-dynamiske tiltræknings- og frastødningskræfter, dvs. udvekslingskræfter, af brintmolekylet. Deres valensbindingsbehandling af dette problem, i deres fælles papir, var et skelsættende, idet det bragte kemi under kvantemekanikken. Deres arbejde var en indflydelse på Pauling, som netop havde modtaget sin doktorgrad og besøgte Heitler og London i Zürich på et Guggenheim Fellowship .

Efterfølgende, i 1931, baseret på Heitlers og Londons arbejde og på teorier fundet i Lewis' berømte artikel, udgav Pauling sin banebrydende artikel "The Nature of the Chemical Bond", hvori han brugte kvantemekanik til at beregne egenskaber og strukturer af molekyler, såsom vinkler mellem bindinger og rotation omkring bindinger. På disse koncepter udviklede Pauling hybridiseringsteori til at redegøre for bindinger i molekyler såsom CH ₄ , hvor fire sp³ hybridiserede orbitaler overlappes af hydrogens 1s orbital, hvilket giver fire sigma (σ) bindinger . De fire bindinger har samme længde og styrke, hvilket giver en molekylær struktur som vist nedenfor:

En skematisk præsentation af hybridorbitaler, der overlapper hydrogens orbitaler

Molekylær videnskab

Videnskaben om molekyler kaldes molekylær kemi eller molekylær fysik , alt efter om fokus er på kemi eller fysik. Molekylær kemi beskæftiger sig med lovene, der styrer interaktionen mellem molekyler, der resulterer i dannelse og brud af kemiske bindinger, mens molekylær fysik beskæftiger sig med lovene, der styrer deres struktur og egenskaber. I praksis er denne sondring dog vag. I molekylære videnskaber består et molekyle af et stabilt system ( bundet tilstand ) sammensat af to eller flere atomer. Polyatomiske ioner kan nogle gange med fordel opfattes som elektrisk ladede molekyler. Udtrykket ustabilt molekyle bruges om meget reaktive arter, dvs. kortlivede samlinger ( resonanser ) af elektroner og kerner , såsom radikaler , molekylære ioner , Rydberg-molekyler , overgangstilstande , van der Waals-komplekser eller systemer af kolliderende atomer som i Bose-Einstein kondensat .

Udbredelse

Molekyler som bestanddele af stof er almindelige. De udgør også det meste af oceanerne og atmosfæren. De fleste organiske stoffer er molekyler. Livets stoffer er molekyler, fx proteiner, aminosyrerne de er sammensat af, nukleinsyrerne (DNA og RNA), sukkerarter, kulhydrater, fedtstoffer og vitaminer. Næringsmineralerne er generelt ioniske forbindelser, så de er ikke molekyler, f.eks. jernsulfat.

De fleste kendte faste stoffer på Jorden er dog helt eller delvist lavet af krystaller eller ioniske forbindelser, som ikke er lavet af molekyler. Disse omfatter alle de mineraler, der udgør jordens substans, sand, ler, småsten, klipper, kampesten, grundfjeldet , det smeltede indre og jordens kerne . Alle disse indeholder mange kemiske bindinger, men er ikke lavet af identificerbare molekyler.

Intet typisk molekyle kan defineres for salte eller for kovalente krystaller , selvom disse ofte er sammensat af gentagne enhedsceller , der strækker sig enten i et plan , f.eks . grafen ; eller tredimensionelt f.eks. diamant , kvarts , natriumchlorid . Temaet med gentagen enhedscellulær struktur gælder også for de fleste metaller, som er kondenserede faser med metallisk binding . Således er faste metaller ikke lavet af molekyler. I glas , som er faste stoffer, der eksisterer i en glasagtig uordnet tilstand, holdes atomerne sammen af ​​kemiske bindinger uden tilstedeværelse af et definerbart molekyle, ej heller nogen af ​​den regelmæssighed af gentagen enhed-cellulær-struktur, der karakteriserer salte, kovalente krystaller og metaller.

Binding

Molekyler holdes generelt sammen af ​​kovalent binding . Adskillige ikke-metalliske grundstoffer eksisterer kun som molekyler i miljøet enten i forbindelser eller som homonukleære molekyler, ikke som frie atomer: for eksempel brint.

Mens nogle mennesker siger, at en metallisk krystal kan betragtes som et enkelt gigantisk molekyle, der holdes sammen af ​​metallisk binding , påpeger andre, at metaller opfører sig meget anderledes end molekyler.

Kovalent

En kovalent binding, der danner H ₂ (til højre), hvor to hydrogenatomer deler de to elektroner

En kovalent binding er en kemisk binding, der involverer deling af elektronpar mellem atomer. Disse elektronpar kaldes delte par eller bindingspar , og den stabile balance mellem tiltrækkende og frastødende kræfter mellem atomer, når de deler elektroner, kaldes kovalent binding .

Ionisk

Natrium og fluor gennemgår en redoxreaktion for at danne natriumfluorid . Natrium mister sin ydre elektron for at give den en stabil elektronkonfiguration , og denne elektron kommer eksotermt ind i fluoratomet .

Ionbinding er en type kemisk binding, der involverer den elektrostatiske tiltrækning mellem modsat ladede ioner, og er den primære interaktion, der forekommer i ioniske forbindelser . Ionerne er atomer, der har mistet en eller flere elektroner (kaldet kationer ) og atomer, der har fået en eller flere elektroner (kaldet anioner ). Denne overførsel af elektroner kaldes elektrovalens i modsætning til kovalens . I det simpleste tilfælde er kationen et metalatom , og anionen er et ikke-metalatom , men disse ioner kan være af mere kompliceret karakter, fx molekylære ioner som NH ₄ ⁺ eller SO ₄ ²⁻ . Ved normale temperaturer og tryk skaber ionbinding for det meste faste stoffer (eller lejlighedsvis væsker) uden separate identificerbare molekyler, men fordampning/sublimering af sådanne materialer producerer separate molekyler, hvor elektroner stadig overføres fuldt nok til, at bindingerne kan betragtes som ioniske snarere end kovalente. .

Molekylær størrelse

De fleste molekyler er alt for små til at kunne ses med det blotte øje, selvom molekyler af mange polymerer kan nå makroskopiske størrelser, herunder biopolymerer såsom DNA . Molekyler, der almindeligvis anvendes som byggesten til organisk syntese, har en dimension på nogle få ångstrøm (Å) til flere dusin Å, eller omkring en milliardtedel af en meter. Enkelte molekyler kan normalt ikke observeres af lys (som nævnt ovenfor), men små molekyler og endda konturerne af individuelle atomer kan spores under nogle omstændigheder ved brug af et atomkraftmikroskop . Nogle af de største molekyler er makromolekyler eller supermolekyler .

Det mindste molekyle er det diatomiske hydrogen (H ₂ ), med en bindingslængde på 0,74 Å.

Effektiv molekylradius er den størrelse et molekyle viser i opløsning. Tabellen over permselektivitet for forskellige stoffer indeholder eksempler.

Molekylære formler

Kemiske formeltyper

Den kemiske formel for et molekyle bruger en linje af kemiske grundstofsymboler, tal og nogle gange også andre symboler, såsom parenteser, bindestreger, parenteser og plus (+) og minus (−) tegn. Disse er begrænset til én typografisk linje af symboler, som kan omfatte sænkede og hævede skrifter.

En forbindelses empiriske formel er en meget simpel type kemisk formel. Det er det enkleste heltalsforhold mellem de kemiske grundstoffer, der udgør det. For eksempel er vand altid sammensat af et 2:1-forhold mellem brint og oxygenatomer, og ethanol (ethylalkohol) er altid sammensat af kulstof, brint og oxygen i forholdet 2:6:1. Dette bestemmer dog ikke molekyletypen entydigt - dimethylether har de samme forhold som ethanol, for eksempel. Molekyler med de samme atomer i forskellige arrangementer kaldes isomerer . Også kulhydrater har for eksempel samme forhold (kulstof:brint:ilt= 1:2:1) (og dermed samme empiriske formel) men forskellige samlede antal atomer i molekylet.

Molekylformlen afspejler det nøjagtige antal atomer, der udgør molekylet, og karakteriserer således forskellige molekyler . Imidlertid kan forskellige isomerer have den samme atomsammensætning, mens de er forskellige molekyler.

Den empiriske formel er ofte den samme som den molekylære formel, men ikke altid. For eksempel har molekylet acetylen molekylformel C ₂ H ₂ , men det enkleste heltalsforhold mellem grundstoffer er CH.

Molekylmassen kan beregnes ud fra den kemiske formel og udtrykkes i konventionelle atommasseenheder svarende til 1/12 af massen af ​​et neutralt carbon-12 ( 12 ^C isotop ) atom. For netværksfaststoffer bruges udtrykket formelenhed i støkiometriske beregninger.

Strukturel formel

3D (venstre og midterste) og 2D (højre) repræsentationer af terpenoidmolekylet atisane

For molekyler med en kompliceret 3-dimensionel struktur, især involverer atomer bundet til fire forskellige substituenter, kan en simpel molekylær formel eller endda semi-strukturel kemisk formel ikke være nok til fuldstændigt at specificere molekylet. I dette tilfælde kan det være nødvendigt med en grafisk type formel kaldet en strukturel formel . Strukturformler kan igen repræsenteres med et endimensionelt kemisk navn, men en sådan kemisk nomenklatur kræver mange ord og udtryk, som ikke er en del af kemiske formler.

Molekylær geometri

Struktur og STM billede af et "cyanostar" dendrimer molekyle.

Molekyler har faste ligevægtsgeometrier - bindingslængder og -vinkler - om hvilke de kontinuerligt svinger gennem vibrations- og rotationsbevægelser. Et rent stof er sammensat af molekyler med samme gennemsnitlige geometriske struktur. Den kemiske formel og strukturen af ​​et molekyle er de to vigtige faktorer, der bestemmer dets egenskaber, især dets reaktivitet . Isomerer deler en kemisk formel, men har normalt meget forskellige egenskaber på grund af deres forskellige strukturer. Stereoisomerer , en bestemt type isomer, kan have meget lignende fysisk-kemiske egenskaber og samtidig forskellige biokemiske aktiviteter.

Molekylær spektroskopi

Hydrogen kan fjernes fra individuelle H ₂ TPP- molekyler ved at påføre overskydende spænding til spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop (STM, a); denne fjernelse ændrer strømspændingskurverne (IV) for TPP-molekyler, målt ved hjælp af den samme STM-spids, fra diodelignende (rød kurve i b) til modstandslignende (grøn kurve). Billede (c) viser en række af TPP, H ₂ TPP og TPP molekyler. Under scanning af billede (d) blev der påført overskydende spænding til H ₂ TPP ved den sorte prik, som øjeblikkeligt fjernede hydrogen, som vist i den nederste del af (d) og i genscanningsbilledet (e). Sådanne manipulationer kan bruges i enkelt-molekyle elektronik .

Molekylær spektroskopi beskæftiger sig med respons ( spektrum ) af molekyler, der interagerer med sonderende signaler med kendt energi (eller frekvens , ifølge Planck-relationen ). Molekyler har kvantificerede energiniveauer, der kan analyseres ved at detektere molekylets energiudveksling gennem absorbans eller emission . Spektroskopi refererer generelt ikke til diffraktionsundersøgelser , hvor partikler såsom neutroner , elektroner eller højenergi røntgenstråler interagerer med et regulært arrangement af molekyler (som i en krystal).

Mikrobølgespektroskopi måler almindeligvis ændringer i molekylernes rotation og kan bruges til at identificere molekyler i det ydre rum. Infrarød spektroskopi måler molekylers vibration, herunder stræk-, bøjnings- eller vridningsbevægelser. Det bruges almindeligvis til at identificere den slags bindinger eller funktionelle grupper i molekyler. Ændringer i elektronernes arrangementer giver absorptions- eller emissionslinjer i ultraviolet, synligt eller nær infrarødt lys og resulterer i farve. Kerneresonansspektroskopi måler miljøet af bestemte kerner i molekylet og kan bruges til at karakterisere antallet af atomer i forskellige positioner i et molekyle.

Teoretiske aspekter

Studiet af molekyler ved molekylær fysik og teoretisk kemi er i vid udstrækning baseret på kvantemekanik og er afgørende for forståelsen af ​​den kemiske binding. Det enkleste af molekyler er brintmolekylet-ion , H ₂ ⁺ , og den enkleste af alle de kemiske bindinger er en -elektronbindingen . H ₂ ⁺ er sammensat af to positivt ladede protoner og en negativt ladet elektron , hvilket betyder, at Schrödinger-ligningen for systemet lettere kan løses på grund af manglen på elektron-elektron frastødning. Med udviklingen af ​​hurtige digitale computere blev omtrentlige løsninger til mere komplicerede molekyler mulige og er et af hovedaspekterne af beregningskemi .

Når man prøver nøje at definere, om et arrangement af atomer er tilstrækkeligt stabilt til at blive betragtet som et molekyle, foreslår IUPAC, at det "skal svare til en fordybning på den potentielle energioverflade , der er dyb nok til at begrænse mindst én vibrationstilstand". Denne definition afhænger ikke af arten af ​​interaktionen mellem atomerne, men kun af styrken af ​​interaktionen. Faktisk inkluderer det svagt bundne arter, som ikke traditionelt ville blive betragtet som molekyler, såsom heliumdimeren , He 2 _, som har en vibrationsbundet tilstand og er så løst bundet, at det kun er sandsynligt, at det observeres ved meget lave temperaturer .

Hvorvidt et arrangement af atomer er tilstrækkeligt stabilt til at blive betragtet som et molekyle, er i sagens natur en operationel definition. Filosofisk set er et molekyle derfor ikke en fundamental enhed (i modsætning til f.eks. en elementarpartikel ); snarere er begrebet et molekyle kemikerens måde at komme med en brugbar erklæring om styrkerne af atom-skala-interaktioner i verden, som vi observerer.

Se også

Referencer

eksterne links

• Månedens molekyle – School of Chemistry, University of Bristol